太陽電池モジュール: PERC 対 TOPCon 太陽電池技術

1954 年に米国で開発された最初の太陽電池は N 型でしたが、その後数年で P 型太陽電池が普及しました。 その理由は、初期の頃、モジュールは主に宇宙旅行で使用され、より回復力があることが判明したためです。 N型セルの性能が向上したため、太陽電池メーカーが自社のアプローチを再考し始めたのは近年になってからです。 この主な理由は、P 型とは異なり、「ホウ素 - 酸素欠陥」の脅威にさらされないため、これらの細胞の寿命が長いことです。 このため、稼働時間が長くなると効率が低下します。 さらに、N 型太陽電池はシリコンの金属汚染の影響を受けにくいです。

太陽光発電技術では、化学組成のほんのわずかな違いでも、効率と経済的配分に大きな違いが生じます。 これは、たとえば、P 型太陽電池と N 型太陽電池を比較するとわかります。 どちらもセル構造の点で異なり、P 型太陽電池は正に帯電したシリコン ベース上に構築されることに基づいています。 対照的に、タイプ N 太陽電池は、負にドープされた側が太陽電池のベースとして機能するため、逆に設計されています。

しかし、数十年にわたって P 型太陽電池が注目されてきたため、現在では N 型太陽電池の製造コストが高くなっています。 それらの生産はバリューチェーンにおける規模の経済につながりましたが、これはまず N タイプの生産で構築される必要があります。 さらに、N型太陽電池モジュールの製造には追加のステップが必要となり、コストがさらに増加し​​ます。 しかし、効率が高いため、N 型のシェアは増加し続けており、主要な太陽電池技術として P 型に取って代わるのも時間の問題でしょう。

最近話題を呼んでいる太陽電池技術 PERC (不動態化エミッターおよびリアセル) と TOPCon (トンネル酸化物不動態化コンタクト) を比較すると、2 つのセルタイプ間の同等のライバル関係がわかります。

PERC モジュールは入射光をより効率的にエネルギーに変換するため、PV モジュールの効率を高めます。 これは、細胞の背面に到達した光の一部を細胞内に反射することによって行われます。 これは、モジュールの背面に適用される層、いわゆる背面パッシベーションによって可能になります。 従来のモジュールと比較して PERC セルの効率は 1% 向上しており、これにより、得られる kWp あたりの生産コストの削減に役立ちます。

最大限の効率を達成するために、PERC セルでは主にモノウェーハが使用されます。 太陽電池の種類は近年大幅に開発が進められています。 効率の向上により、プロ用太陽光発電システムの分野で従来の Al BSF セルがほぼ完全に置き換えられるようになりました。 PERC セルは、その原理が 1983 年にオーストラリアのニューサウスウェールズ大学によって初めて言及されたため、決して新しいものではありません。 しかし、生産プロセスを着実に改善しなければ、その技術の価値を十分に量産に活かすことができませんでした。

ただし、PERC テクノロジーにも問題がないわけではありません。 そのため、従来の細胞よりも光による劣化に対して敏感になります。 この LID 効果により、太陽電池は最初に光に触れた後に電力が失われます。 電位による劣化のリスクも高くなります。 PID の欠陥は、太陽光発電システム全体のパフォーマンスを大幅に低下させる可能性があるため、広範囲に影響を及ぼす可能性があります。 したがって、投資家は、PERC セルが IEC TS 62804 に従って PID 耐性について認定されているという事実に特に注意を払う必要があります。

太陽電池の新星は、フライブルクのフラウンホーファー ISE で開発された TOPCon テクノロジーです。 これらのセルは単面と両面の両方で使用でき、PERC とは対照的に、主に N 型ウェーハに依存します。 PERC と比較して、より高い効率の可能性があります。 昨年、中国のメーカーであるジンコソーラーは、最大効率23.53%の単結晶両面受光型N型TOPCon太陽電池モジュールを発表し、これがいかに高いものであるかを実証した。 Longi Solarが2021年に発表したTOPConモジュールは、さらに高い性能を達成しました。 P 型 TOPCon セルを使用すると、効率 25.19% を達成し、この技術の新しい効率世界記録を樹立しました。 急速な進歩を考えると、この記録が破られるのも時間の問題でしょう。 モジュールに関する集中的な研究により、開発にまだ終わりが見えないことが確認されます。

TOPCon 太陽電池の性能に勝るものはありませんが、依然として PERC 技術が市場を支配しています。 セルの効率が向上し、同時に生産コストが低下しているため、しばらくはこの状況が続くと思われます。

ただし、TOPCon セルはその効率が非常に高いため、増加傾向にあります。 高い生産コストは依然としてこのタイプの PV に不利です。 しかし、量産が開始されると、ここでも大幅な規模の経済が期待され、ドイツの TOPCon モジュールが PERC 技術をめぐる激しい競争に発展することが確実になります。 フラウンホーファー ISE の研究者もこれを確認しています。 しかし、彼らによれば、TOPConモジュールの経済性を支えるためには、製造コストの削減に加えて、PERCセルのレベルまで生産量を増加させる必要があるという。

科学者の調査結果によると、TOPCon 技術は、出力 5 メガワットの地上設置型 PV システムの PERC と比較して、太陽電池の総コストが 13.5 ～ 18.6%、モジュールの総コストが 3.6 ～ 5.5% 高くなります。 それにもかかわらず、フラウンホーファー ISE の研究者らは、両面受光型 p-PERC と比較して TOPCon 太陽電池のセル効率が 0.4 ～ 0.55% 高いため、コスト効率の高い大規模生産が可能になると述べています。

N 型太陽電池を使用するか P 型太陽電池を使用するかに関係なく、太陽電池モジュールの効率を大幅に向上させる方法があります。 これが両面技術です。 片面受光型太陽電池は上部を照らすだけで発電するのに対し、両面受光型太陽電池は上下から発電できるように設計されています。 このようにして光の使用量が増加すると、モジュールの効率が大幅に向上します。

もちろん、底部の効率は、太陽光の方向を向いている上部ほど高くはありません。 それにもかかわらず、場所、地面からの距離、外部条件に応じて、下側の放射により効率が 19% 以上増加する可能性があります。 これは、システム全体の容量を 10 ～ 30 増加できることを意味します。 たとえば、以前は 290 Wp だったモジュールのパフォーマンスは 320 ～ 360 Wp に向上します。

両面受光システムを設置する場合は、追加の放射線を考慮して、その下の表面から十分な距離を置いて設置されるように注意する必要があります。 瓦屋根や芝生などの弱反射性から中程度の反射性の表面の場合、最小距離は少なくとも 40 センチメートルである必要があります。 ただし、反射性の高い表面 (雪など) では、地面までの距離は 1.5 メートルより長くする必要があります。

に適し：

• 農業用太陽光発電、オープンスペースシステム、ソーラーカーポート、ソーラーフェンスに最適な両面受光性および透明なガラス-ガラス/二重ガラスソーラーモジュール

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